申请日2011.01.05
公开(公告)日2011.05.04
IPC分类号C02F5/00
摘要
本实用新型公开了一种大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，包括水处理腔和信号发生器，其特征在于：信号发生器由信号发生电路和功率放大电路组成，在信号发生电路中设置有微控制器，在微控制器上连接有温度/流速检测器、电导率/PH检测器、键盘、LCD显示器以及数字频率合成器，该装置的控制方法采用了三种控制模式：自动频率调整模式、手动频率设定模式以及频率循环扫描模式，其显著效果是：结构简单，效果良好，输出高频信号的频率和功率都可以根据具体的应用情况进行调节，信号频率既能通过手工设定，又能通过系统自动检测而获取，还能采取扫频方式进行输出，扩大了系统的应用环境，不会产生二次污染。
权利要求书
1.一种大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，包括一个设置有阳极(61)和阴极(62)的水处理腔(6)以及为所述水处理腔(6)提供高频信号的信号发生器;
其特征在于：所述信号发生器由信号发生电路和功率放大电路(5)组成，在信号发生电路中设置有微控制器(9)，该微控制器(9)上连接有温度/流速检测器(1)、电导率/PH检测器(7)、键盘(8)、LCD显示器(2)以及数字频率合成器(4)，所述微控制器(9)接收所述温度/流速检测器(1)和电导率/PH检测器(7)检测的数据以及键盘(8)输入的数据，控制所述数字频率合成器(4)输出的高频信号的频率;
所述数字频率合成器(4)上连接有有源晶振(10)，该数字频率合成器(4)输出的高频信号经所述功率放大电路(5)放大后加载到所述水处理腔(6)的阳极(61)和阴极(62)上;
所述 LCD显示器(2)用于显示所述温度/流速检测器(1)和电导率/PH检测器(7)所检测的数据以及键盘(8)所输入的数据。
2.根据权利要求1所述的大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，其特征在于：所述微控制器(9)上还连接有上位机(3)，该上位机(3)用于存储和处理所述温度/流速检测器(1)和电导率/PH检测器(7)所检测的数据。
3.根据权利要求2所述的大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，其特征在于：所述上位机(3)、温度/流速检测器(1)以及电导率/PH检测器(7)与所述微控制器(9)均通过DB9接口连接，在微控制器(9)上设置有第一通信端口组(RX1、TX1)和第二通信端口组(RX2、TX2)，所述微控制器(9)的第一通信端口组(RX1、TX1)的两根引脚分别与所述串口芯片(MAX232)的第12管脚(R1OUT)和第11管脚连接(T1IN)连接，所述微控制器(9)的第二通信端口组(RX2、TX2)的两根引脚分别与所述串口芯片(MAX232)的第9管脚(R2OUT)和第10管脚连接(T2IN)连接，所述串口芯片(MAX232)的第8管脚(R2IN)和第7管脚(T2OUT)分别与第一DB9接口(J4)的第3脚和第2脚连接，该第一DB9接口(J4)用于连接所述电导率/PH检测器(7);
所述串口芯片(MAX232)的第13管脚(R1IN)和第14管脚(T1OUT)分别与第二DB9接口(J3)的第3脚和第2脚连接，该第二DB9接口(J3)用于连接所述温度/流速检测器(1)中的温度传感器;
所述串口芯片(MAX232)的第13管脚(R1IN)和第14管脚(T1OUT)还分别与第三DB9接口(J2)的第3脚和第2脚连接，该第三DB9接口(J2)用于连接所述上位机(3)。
4.根据权利要求1所述的大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，其特征在于：所述功率放大电路(5)由MOSFET驱动电路、全桥功率放大电路以及可调直流电源VCC组成，其中MOSFET驱动电路中设置有光耦芯片(U1)和MOSFET驱动芯片(U2)，所述数字频率合成器(4)的高频信号输出端(J1)与所述光耦芯片(U1)的输入端连接，该光耦芯片(U1)的输出端连接在所述MOSFET驱动芯片(U2)的输入端上，该MOSFET驱动芯片(U2)的输出端与第一二极管(D1)的正极连接，该第一二极管(D1)的负极与第一MOS管(Q1)的栅极连接，该第一MOS管(Q1)的源极与第三二极管(D3)的正极连接，该第一MOS管(Q1)的漏极与直流电源(+15)连接，所述第三二极管(D3)的负极连接第四二极管(D4)的正极，该第四二极管(D4)的负极连接第二MOS管(Q2)的漏极，该第二MOS管(Q2)的源极接地，该第二MOS管(Q2)的栅极连接第二二极管(D2)的正极，该第二二极管(D2)的负极连接所述第一二极管(D1)的正极;
所述第一二极管(D1)的负极还与第二电阻(R2)的一端连接，该第二电阻(R2)串联第三电阻(R3)后与所述第二MOS管(Q2)的栅极连接;
所述第一MOS管(Q1)的源极还与第四电阻(R4)的一端连接，该第四电阻(R4)的另一端串联第五电阻(R5)后与所述第二MOS管(Q2)的漏极连接;
所述第三二极管(D3)的负极还经第七电阻(R7)接地，在第三二极管(D3)的负极上还与第六电阻(R6)的一端连接，该第六电阻(R6)的另一端驱动所述全桥功率放大电路中的开关管;
所述可调直流电源(18)加载到所述全桥功率放大电路中的开关管上，用于改变系统的输出功率。
5.根据权利要求1所述的大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，其特征在于：所述水处理腔(6)为圆柱形腔体，该腔体为导电材料，其外壳为所述阴极(62)，在腔体的正中间轴向设置有一根金属棒，该金属棒为所述阳极(61)。
说明书
大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置
技术领域
本实用新型属于一种水处理系统，特别是涉及一种大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置。
背景技术
目前，火电厂冷却塔循环水冷却装置处理水垢所采用的方法主要是化学方法，在水中加入阻垢剂，这导致处理成本增加，产生二次污染。随着国家对环保要求的标准越来越严格，无污染的物理阻垢方法受到了普遍关注。
现有的物理阻垢主要采用电磁阻垢技术，通过向水中施加高频电磁场而实现对水的处理。电磁场改变了水原有的分子结构，使较大的缔合水分子变成较小的缔合水分子集团，甚至单个水分子。这些活性较强的水分子聚集在已形成的晶核周围，破坏了碳酸钙晶体的结晶条件，抑制了晶核的长大。此外，高频电磁场处理既加速了晶核的生成，又抑制了晶核长大，碳酸钙晶粒起到晶种的作用，使得碳酸钙的结晶快速进行。不过，碳酸钙快速结晶一般会得到不稳定晶型，从而导致一部分坚硬的方解石向松软的文石转变。
高频电磁阻垢技术的核心部分是高频脉冲发生器，而现有技术的缺点是：目前大多数高频脉冲发生器输出功率都很低，频率不可调，电压幅值不可控，工作模式比较单一，应用的环境比较受限，不利于高频电磁阻垢机理研究。
发明内容
本实用新型所要解决的问题在于提供一套频率和输出功率都可以调节的大功率高频电磁阻垢系统装置，要求系统具有多种工作模式，能够根据不同的水处理环境产生不同频率的高频信号以及不同功率的高频电磁场，使得电磁阻垢效果更佳。
为达到上述目的，本实用新型提供一种大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置，包括一个设置有阳极和阴极的水处理腔以及为所述水处理腔提供高频信号的信号发生器;
其关键在于：所述信号发生器由信号发生电路和功率放大电路组成，在信号发生电路中设置有微控制器，该微控制器上连接有温度/流速检测器、电导率/PH检测器、键盘、LCD显示器以及数字频率合成器，所述微控制器接收所述温度/流速检测器和电导率/PH检测器检测的数据以及键盘输入的数据，控制所述数字频率合成器输出的高频信号的频率;
所述数字频率合成器上连接有有源晶振，该数字频率合成器输出的高频信号经所述功率放大电路放大后加载到所述水处理腔的阳极和阴极上;
所述 LCD显示器用于显示所述温度/流速检测器和电导率/PH检测器所检测的数据以及键盘所输入的数据。
冷却塔中的冷却水在水处理腔中进行处理，该水处理腔的阳极和阴极上加载有大功率高频信号，从而在腔体内形成高频磁场，实现电磁阻垢。所述大功率高频信号通过信号发生器产生，该信号发生器由信号发生电路和功率放大电路组成，信号发生电路主要产生一个高频信号，而功率放大电路则是进行功率放大，信号发生电路的核心部分为微控制器和数字频率合成器，所述数字频率合成器外接有源晶振，可以实现频率合成，而且输出相位和频率可调，具体的调节和控制通过微控制器实现。
在微控制器上连接的温度/流速检测器以及电导率/PH检测器，可以对处理水的温度、流速、PH值以及电导率进行实时检测，检测结果实时显示在所述LCD显示器上，检测人员可以通过检测的结果对输出的高频信号进行手动调整，比如修改高频信号的频率。
微控制器也可以进行输出频率的自动调整，在微控制器内固化有控制程序，通过分析检测到的PH值以及电导率，确定出最佳的处理效果时的频率点，并将该频率点作为高频信号的输出频率。
微控制器内还可以固化频率扫描程序，使得系统的输出频率在某一频段内按扫频的方式呈周期性的循环变化，以适应不同的应用环境。
所述微控制器上还连接有上位机，该上位机用于存储和处理所述温度/流速检测器和电导率/PH检测器所检测的数据。
微控制器将温度/流速检测器以及电导率/PH检测器所检测的结果上传到上位机中，上位机具有更强的数据处理能力，可以通过上位机的处理更直观的显示出检测结果，比如上位机可以通过条形图或波形图等形式来显示检测数据的变化情况。
所述上位机、温度/流速检测器以及电导率/PH检测器与所述微控制器均通过DB9接口连接，在微控制器上设置有第一通信端口组和第二通信端口组，所述微控制器的第一通信端口组的两根引脚分别与所述串口芯片的第12管脚和第11管脚连接连接，所述微控制器的第二通信端口组的两根引脚分别与所述串口芯片的第9管脚和第10管脚连接连接，所述串口芯片的第8管脚和第7管脚分别与第一DB9接口的第3脚和第2脚连接，该第一DB9接口用于连接所述电导率/PH检测器;
所述串口芯片的第13管脚和第14管脚分别与第二DB9接口的第3脚和第2脚连接，该第二DB9接口用于连接所述温度/流速检测器中的温度传感器;
所述串口芯片的第13管脚和第14管脚还分别与第三DB9接口的第3脚和第2脚连接，该第三DB9接口用于连接所述上位机。
DB9接口即为常用的RS232串口，通过串口芯片将微控制器的两路串行通信端口转换为RS232接口，使其与外部的传感器和上位机连接。
所述功率放大电路由MOSFET驱动电路、全桥功率放大电路以及可调直流电源组成，其中MOSFET驱动电路中设置有光耦芯片和MOSFET驱动芯片，所述数字频率合成器的高频信号输出端与所述光耦芯片的输入端连接，该光耦芯片的输出端连接在所述MOSFET驱动芯片的输入端上，该MOSFET驱动芯片的输出端与第一二极管的正极连接，该第一二极管的负极与第一MOS管的栅极连接，该第一MOS管的源极与第三二极管的正极连接，该第一MOS管的漏极与直流电源连接，所述第三二极管的负极连接第四二极管的正极，该第四二极管的负极连接第二MOS管的漏极，该第二MOS管的源极接地，该第二MOS管的栅极连接第二二极管的正极，该第二二极管的负极连接所述第一二极管的正极;
所述第一二极管的负极还与第二电阻的一端连接，该第二电阻串联第三电阻后与所述第二MOS管的栅极连接;
所述第一MOS管的源极还与第四电阻的一端连接，该第四电阻的另一端串联第五电阻后与所述第二MOS管的漏极连接;
所述第三二极管的负极还经第七电阻接地，在第三二极管的负极上还与第六电阻的一端连接，该第六电阻的另一端驱动所述全桥功率放大电路中的开关管;
所述可调直流电源加载到所述全桥功率放大电路中的开关管上，用于改变系统的输出功率。
全桥功率放大电路综合半桥以及推免式电路的优点，使得电流不变，而极间电压为单级结构极间电压的一半。电路中的MOS管工作在D类开关状态，整个功率放大电路的效率可达80%，四个MOSFET驱动电路模块通过高速光耦相互隔离浮地，高频信号发生电路产生两组反相的脉冲信号，经MOSFET驱动模块调理成为驱动电流，适于控制MOS管的信号，这两组信号分别控制两个半桥电路在一个周期内导通半个周期时间。
通过调节可调直流电源的输出电压，实现功率放大电路的输出电压幅值可调。
所述水处理腔为圆柱形腔体，该腔体为导电材料，其外壳为所述阴极，在腔体的正中间轴向设置有一根金属棒，该金属棒为所述阳极。
输出的高频信号加载到水处理腔的阳极和阴极之间，这样可以在极间形成电流的回路，从而产生高频电磁场，流经处理腔的液体作为动态负载。当冷却水流经过带有高频电磁场的处理腔时，吸收电磁能量，从而提高冷却水的活化性，改变碳酸钙晶体的结构和生成速率，起到阻垢的作用。
本实用新型所提供的大功率高频电磁阻垢水处理控制系统装置中的微控制器按照以下步骤进行控制：
第一步：系统初始化
开机后，微控制器首先对温度/流速检测器、电导率/PH检测器以及LCD显示器进行初始化，使得各种检测设备通电工作;
第二步：进入模式选择
通过键盘选择系统的工作模式，所述工作模式分为：自动频率调整模式、手动频率设定模式以及频率循环扫描模式;在键盘上直接按键即可选定系统的工作模式，在微控制器内固化有各种工作模式的控制子程序，按照不同工作模式下的控制程序，微控制器确定输出频率f并控制数字频率合成器输出频率为f的高频信号;
第三步：检测温度、流速、PH以及电导率
所述微控制器控制所述温度/流速检测器以及电导率/PH检测器进行温度、流速、PH以及电导率的检测，并将检测的结果显示在所述LCD显示器上;
第四步：选择是否需要上传数据
通过所述键盘选择是否需要将数据上传到上位机，如果需要上传数据，所述微控制器则将检测到的温度、流速、PH值、电导率以及输出高频信号的频率值上传到所述上位机上，数据上传完成后，系统返回第二步重新调整输出频率，并将数据显示在LCD显示器上;
如果不需要上传数据，系统则直接返回第二步重新调整输出频率，并将数据显示在LCD显示器上。
如果采用手动频率设定模式，则用户通过键盘直接设定高频输出信号的频率值，确认输入值后微控制器便控制数字频率合成器合成设定频率的高频信号，该高频信号通过功率放大器放大后加载到水处理腔的阳极和阴极上，从而在水处理腔内产生高频电磁场，流经水处理腔的冷却水进行处理。
如果选择频率循环扫描模式，则微控制器直接控制所述数字频率合成器，使得输出的高频信号频率在某一频段内连续变化，并且按照一定的周期进行循环。
如果选择自动频率调整模式，则微控制器按照以下步骤进行：
用于开始自动频率设定子程序的步骤：通过键盘选择系统工作模式为自动频率调整模式，系统自动开始自动频率设定子程序;
用于设定初始频率等于f1的步骤：系统进入自动频率设定子程序后，自动设置高频信号输出频率为f1;
用于测量PH值和电导率的步骤：系统通过电导率/PH检测器测试每一个频率点对应的PH值和电导率;
用于存储数据的步骤：将每个频率点对应的PH值和电导率存储在存储器中;
用于频率增加10KHZ的步骤：按步进为f2依次递高频信号的输出频率;
用于判断输出频率是否小于f3的步骤;
如果输出频率小于f3，则用于返回测量PH值和电导率的步骤;
如果输出频率不小于f3，则用于计算电导率最大时的频率f4的步骤:高频信号的输出频率范围为f1～f3，寻找测试结果中电导率最大的频点f4;
用于计算PH值最小时的频率f5的步骤：寻找测试结果中PH值最小的频点f5;
用于确定输出频率为(f4+f5)/2的步骤：按照(f4+f5)/2求出高频信号的输出最佳频点;
用于结束自动频率设定子程序的步骤。
采用自动频率调整模式，微控制器控制数字频率合成器按照输出高频信号频率依次递增的方式进行控制，其中频率变化范围为f1～f3，步进为f2，通过对每一个频点的PH值和电导率进行检测，寻找出电导率最大的频点f4和PH值最小的频点f5，最终控制器按照(f4+f5)/2确定出高频信号的最佳频点，使得数字频率合成器输出频率为(f4+f5)/2的高频信号，该高频信号经过功率放大电路后加载到水处理腔上，实现电磁阻垢。
本实用新型的显著效果是：结构简单，效果良好，输出高频信号的频率和功率都可以根据具体的应用情况进行调节，而且系统具有多种工作模式，信号频率既能通过手工设定，又能通过系统自动检测而获取，还能采取扫频方式进行输出，扩大了系统的应用环境，水处理的效果也更佳。